Гломар Челленджер» и проект глубоководного бурения

Возродившаяся к жизни идея А. Вегенера вскоре получила свое достойное воплощение в разработке проекта постройки уникального бурового судна, способного проводить работы в районах, где дно залегает на глубинах в несколько тысяч метров от поверхности океана. Чтобы оценить смелость этой задумки, надо напомнить, что в те годы (середина 60‑х годов) коммерческое разведочное и эксплуатационное бурение скважин на нефть и газ велось лишь в пределах 100–120‑метровой изобаты на шельфе, да и то преимущественно со стационарных платформ, бетонные основания которых устанавливались на дно.

Для осуществления программы глубоководного бурения в океане (deep‑sea drilling project), составленной в Океанографическом институте Скриппса при Калифорнийском университете США, необходимо было решить несколько сложнейших инженерных и навигационных задач. Во‑первых, научиться спускать и поднимать колонны буровых труб длиной в несколько километров в условиях волнения и океанской зыби. Во‑вторых, создать систему, допускающую повторное попадание всей колонны и бурильного инструмента в устье скважины. В‑третьих, обеспечить судно системой двигателей, способных удерживать его над точкой бурения с минимальными отклонениями, так как уход его в сторону за пределы нескольких десятков метров грозил скручиванием и отрывом буровой колонны. Последняя задача потребовала разработки новой, высокоточной системы ориентаций и привязки, которую в открытом океане смогли обеспечивать сначала спутники, а впоследствии гидроакустические маяки, устанавливавшиеся на дно в окрестностях точки бурения. И те и другие должны были достаточно часто показывать координаты судна на бортовую ЭВМ, чтобы в минимальный срок можно было исправить любые отклонения в положении судна над точкой бурения, вызванные сносом течениями, ветром и другими причинами.

А пока проект разрабатывался и строилось буровое судно, теоретическая мысль ученых не стояла на месте. На глазах рушились старые представления и вырастало здание новой теории, названной французским ученым К. Ле Пишоном тектоникой литосферных плит. Однако обо всем по порядку.

Как только появились серьезные доказательства в пользу дрейфа материков, а вслед за ними и первые палеореконструкции, показывавшие, каким образом и в какой последовательности произошел распад древних суперконтинентов Пангея и Гондвана, перед учеными встали новые проблемы. Ведь если Атлантический и Индийский океаны – относительно молодые образования, возникшие, судя по возрасту линейных магнитных аномалий и другим свидетельствам, лишь в мезозое, то выходит, что за последние 200–300 млн лет заново сформировалась огромная по площади часть земной поверхности. Что это – свидетельство резкого расширения нашей планеты? А если нет, то куда девается старая земная кора? Решая эту задачу, одни ученые стали разрабатывать теорию расширяющейся Земли, другие же обратили внимание на странные структуры, почти непрерывным кольцом опоясавшие Тихий океан и глубоко избороздившие отдельные участки дна по периферии Атлантического и Индийского океанов.

Речь идет о самых глубоких образованиях в океане – желобах, куда еще в середине 40‑х годов погружались на батискафах отважные исследователи. Был среди них и изобретатель многих таких аппаратов Ж. Пикар, который в 1960 г. вместе с американцем Д. Уолшем достиг дна в самом глубоком из современных желобов – Марианском на отметке 10 916 м. Глубоководные желоба как бы охватывают дугой краевые архипелаги вулканических островов, отделяя их от океана. Они же обрамляют в Тихом океане Южную, Центральную и частично Северную Америку.

Важной особенностью желобов, помимо их громадной глубины и своеобразного рельефа, является приуроченность к ним сейсмофокальных поверхностей – зон Беньофа, вдоль которых концентрируются фокусы большинства землетрясений. Эти условные поверхности сначала полого погружаются под прилегающую к желобу сушу (под углом 30–33°), а затем на глубине около 300 км круто падают (до 60°), опускаясь до 600–700 км.

Внимательный анализ показал, что эпицентры землетрясений в океане группируются отнюдь не случайно. Значительная их часть, в основном мелкофокусных, фиксируется в районе рифтовых долин срединно‑океанических хребтов, другие же приурочены к переходным зонам от континентов к океанам. Причем большинство, в том числе все глубокофокусные, происходит в пределах так называемых активных окраин континентов и островных вулканических дуг, расположенных по периферии Тихого океана, т. е. как раз там, где находятся глубоководные желоба. Они, что называется, жестко привязаны к зонам Беньофа. Более того, в тех же районах сосредоточена и основная вулканическая деятельность, продукты которой имеют преимущественно средний и основной состав – андезиты и базальты.

Так что же происходит в этих районах, где проявляется в столь драматической форме тектоническая активность недр? Этот вопрос остается до сих пор предметом ожесточенных споров. И немудрено. В ответе на него заключена окончательная судьба фиксистских концепций. Ведь если глубоководные желоба всего лишь трещины в земной коре, указывающие на ее растяжение, то, следовательно, можно говорить о расширении поверхности нашей планеты, которое происходит в основном в срединно‑океанических хребтах, но вызывает также растяжения в краевых зонах океана.

Для мобилистов же глубоководные желоба и связанные с ними зоны Беньофа, напротив, являются символами совсем иных процессов, протекающих в условиях сжатия и получивших собирательное название «субдукция» (поддвиг). Согласно мобилистской концепции, в зонах субдукции происходит погружение и расплавление древней коры океана или окраинных глубоководных морей, т. е. процесс, компенсирующий формирование молодой океанической коры. Именно поэтому раскрытие в мезозое и кайнозое Атлантического и Индийского океанов не означало внезапного разрастания диаметра Земли.

Оно шло за счет уничтожения палеозойской и раннемезозойской коры древних океанов, к которым принадлежит Тихий океан, а также исчезнувший океан Тетис. Заталкивание отдельных блоков океанической коры под континент или островную вулканическую дугу сопровождается серией землетрясений. Их фокусы располагаются вдоль глубинной границы, где соприкасаются погружающаяся плита и край той плиты, под которую происходит поддвигание. С расплавлением вещества в зоне субдукции связан подъем магматических расплавов к поверхности, в результате чего активизируется вулканическая деятельность.

И действительно, во всех районах, где существуют глубоководные желоба и приуроченные к ним зоны Беньофа, можно обнаружить цепочки вулканов. Они располагаются на краю континента, как в Южной Америке (со стороны Тихого океана), либо образуют вулканические архипелаги островов, выгибающиеся дугой в сторону океана. Именно поэтому последние получили название островных вулканических дуг. К ним относятся Курило‑Камчатская, Алеутская, Японская, Идзу‑Бонинская, Марианская, Филиппинская, Тонга‑Кермадекская и еще десятки других, расположенных в краевых частях океанов.

Проанализировав глобальную схему распространения срединно‑океанических хребтов и рифтовых долин, с одной стороны, и глубоководных желобов с зонами субдукции – с другой, К. Ле Пишон разделил земную твердь на восемь крупнейших литосферных плит (помимо них, существует еще несколько десятков микроплит). Согласно его схеме, границы этих плит проходят по рифтовым долинам срединно‑океанических хребтов, глубоководным желобам и некоторым трансформным разломам. В крупнейшие из них (за исключением Тихоокеанской плиты и плиты Наска) впаяны континенты. Они перемещаются вместе с литосферной плитой. В процессе ее разрастания в так называемых спрединговых центрах – рифтовых долинах – плита увеличивает свою площадь. Помимо конструктивной границы плиты, вдоль которой она формируется, существует деструктивная граница, где происходит ее разрушение. В современной структуре земной поверхности разрушаются в основном плиты, выделяемые в Тихом океане,– Тихоокеанская, Кокос и Наска. Именно на них как бы наползают молодые плиты, т. е. возникшие при рождении Атлантического и Индийского океанов. Плиты располагаются над гигантскими конвекционными ячейками в мантии Земли, образуемыми восходящими и нисходящими ветвями – потоками вещества и тепла. Восходящий поток выходит на поверхность в пределах конструктивной границы плиты, т. е. в рифтовых долинах, нисходящий поток зарождается в зонах Беньофа под активной окраиной континента или под островной вулканической дугой. Таким образом, континенты медленно «плывут» по поверхности мантии, как по эскалатору: за ними возрастает количество ступенек, перед ними происходит погружение ступенек, правда, другой плиты. В качестве ступенек выступают участки океанической коры, более молодые – в начале ленты транспортера (они фиксируются в виде полосовых магнитных аномалий), более древние – у погружения ленты транспортера.

Можно еще много говорить о принципах, положенных в основу тектоники литосферных плит, но главное то, что земная кора оказывается невечной. Она проходит свой жизненный цикл, как и все во Вселенной. Только циклы эти в миллионы раз длиннее, чем жизнь живых существ на Земле, и несравненно короче тех циклов, которые проходят небесные тела. Таким образом, тектоника плит раскрывает механизм обновления нашей древней планеты, дает возможность угадывать ход дальнейшей эволюции.

Как и всякая теория, тектоника плит, связав воедино до того разрозненные и плохо объяснимые геологические явления, нуждалась в экспериментальном подтверждении. Ключ к доказательству ее истинности в буквальном смысле лежал на дне океана. Действительно, если океаническая кора относительно молода и если за пределами окраин континентов отсутствуют породы домезозойского возраста (а сам этот возраст будет уменьшаться по мере приближения к рифтовым зонам срединно‑океанических хребтов), то это будет доказательством существования механизма спрединга океанского дна и вообще относительной молодости коры океана. Только глубоководное бурение могло дать ответ на многочисленные вопросы о его строении и истории развития.

Между тем основные технические проблемы, стоявшие перед создателями проекта глубоководного бурения, были как будто преодолены, и первое буровое судно такого типа, оснащенное ЭВМ и системой спутниковой навигации, вышло в море. В честь знаменитого предшественника, положившего начало научным изысканиям в океане, оно было названо «Гломаром Челленджером».

Первая точка для глубоководного бурения была выбрана в Мексиканском заливе, во впадине Сигсби, где геофизики установили присутствие на дне крупных куполов, как предполагалось образованных соляными диапирами. Бурение, проводившееся у подножия подводного уступа Сигсби, оправдало надежды специалистов и дало блестящие результаты. Буровая колонна проникла на глубину 770 м, что позволило отобрать керн осадков и пород в той части морского дна, которая дотоле оставалась «белым пятном» (впрочем, как и почти весь океан) на геологической карте.

В первом рейсе «Гломара Челленджера» был опробован и отлажен весь комплекс механизмов бурения и управления этим процессом. В следующих рейсах стали изучать строение осадочной линзы на континентальных окраинах и собственно океанского ложа, сначала в Северной и Центральной Атлантике и в восточных районах Тихого океана, которые были к тому времени наиболее полно исследованы геофизическими методами.

Буровое оборудование не обеспечивало проходку очень крепких пород, в частности горизонтов кремней, достаточно широко распространенных в верхней части осадочного чехла абиссальных котловин. Поэтому глубина проходки скважин в первые годы осуществления проекта глубоководного бурения не превышала нескольких сот метров. Проблема заключалась в невозможности смены бура, который быстро изнашивался при бурении с непрерывным отбором керна. Трудности возникали, собственно говоря, не столько со сменой оборудования, сколько с необходимостью вторичного попадания в ствол уже начатой бурением скважины. Поэтому если проходку последней по каким‑либо причинам, из‑за шторма или технических неполадок, приходилось прерывать, то команда судна была вынуждена закладывать новую скважину в соседней с предыдущей точке.

Нередко, чтобы выполнить первоначальную задачу и достичь расчетной глубины бурения, приходилось начинать проходку второго, третьего и даже четвертого ствола. При этом к номеру скважины прибавлялся соответственно индекс А, В и С. В дальнейшем проблема смены износившегося оборудования с продолжением бурения в том же стволе была решена. На дне стали помещать акустический маяк, подававший сигналы на поверхность.

В точке бурения вместе с ним устанавливалась гигантская, до 20 м в диаметре, воронка, сужающаяся к устью скважины. Поэтому буровая колонна, вторично опускавшаяся с борта судна, должна была попасть уже не в крошечную дыру на дне, а в створ довольно большой воронки, оборудованной акустическим датчиком.

Однако, как говорилось выше, эта система была разработана позднее. В первых же рейсах «Гломара Челленджера» предпочитали разбуривать те участки океанского дна, где мощность осадочного чехла относительно невелика, – районы срединно‑океанических хребтов и прилегающие к ним части абиссальных котловин. К концу 1971 г. было пробурено около 200 скважин в различных районах Мирового океана. Главным результатом этой гигантской работы было подтверждение основных мобилистских идей. Надо отметить, что очень скоро проект глубоководного бурения приобрел международный статус. В соответствии с межправительственным соглашением и другими документами, регулировавшими научный обмен между СССР и США, во многих рейсах «Гломара Челленджера» участвовали советские ученые – морские геологи, геохимики, океанологи, литологи и другие специалисты, в том числе такие известные исследователи, как А. П. Лисицын, П. П. Тимофеев, В. А. Крашенинников, И. О. Мурдмаа, Ю. А. Богданов и др.

Научная кооперация на борту «Гломара Челленджера» и в послерейсовые периоды обработки полученных материалов принесла важные научные плоды. Уровень лабораторного исследования и интерпретации материалов оставался неизменно высоким многие годы, а их результаты публиковались уже через год после завершения очередного рейса. Голубовато‑зеленые тома, издававшиеся по этим рейсам, стали одним из наиболее читаемых изданий.

Структура океана

Итак, каждый рейс «Гломара Челленджера» все шире приоткрывал завесу над тайнами океана. Постепенно начинала вырисовываться структура океанского дна, совершенно непохожая на ту, какой ее себе представляли геологи, работавшие на континентах. Здесь нужны были новые исследования. Однако главное можно было считать установленным: дно океана было повсеместно молодым. Ведь даже в периферийных районах Атлантического и Тихого океанов в основании осадочного чехла бур «Гломара Челленджера» вскрыл отложения не старше мелового и позднеюрского возраста. Последние залегали на базальтах фундамента, Которые сформировались практически в то же время. Таким образом, возраст океанского ложа не превышал 150–180 млн лет. Это ничтожно мало по сравнению с докембрийским возрастом пород, слагающих фундамент кратонов на континентах и выступающих на поверхность в пределах Балтийского, Канадского, Бразильского, Анабарского и других щитов: 1–2 млрд лет для протерозойских и 3–3,5 млрд лет для архейских образований.

Молодость фундамента в океанах можно было объяснить лишь его спредингом – формированием в рифтовых зонах срединно‑океанических хребтов. Однако поговорим вначале о строении самой океанической коры.